NPN型双极晶体管半导体器件课程设计解读

1、微电子器件课程设计报告 题 目： NPN型双极晶体管 班 级： 微电0802班 学 号： 080803206 姓 名： 李子忠 指导老师： 刘剑霜 2011 年6月6日1、 目标结构NPN 型双极晶体管2、 目标参数最终从IV曲线中提取出包括fT和 Gain在内的设计参数. 三、在该例中将使用: （1）多晶硅发射双极器件的工艺模拟； （2）在DEVEDIT中对结构网格重新划分； （3）提取fT和peak gain. ATLAS中的解过程: 1. 设置集电极偏压为2V. 2. 用 log语句用来定义Gummel plot数据集文件. 3.用 extract语句提取BJT的最大增益"ma

2、xgain"以及最大 ft,"maxft". Gummel plot:晶体管的集电极电流Ic、基极电流 Ib与基极-发射极电压 Vbe关系图(以半对数坐标的形式).四、制造工艺设计 4.1.首先在ATHENA中定义0.8um*1.0um的硅区域作为基底，掺杂为均匀的砷杂质，浓度为2.0e16/cm3,然后在基底上注入能量为18ev，浓度为4.5e15/cm3的掺杂杂质硼，退火，淀积一层厚度为0.3um的多晶硅，淀积过后，马上进行多晶硅掺杂，掺杂为能量50ev，浓度7.5e15/cm3的砷杂质，接着进行多晶硅栅的刻蚀（刻蚀位置在0.2um处）此时形成N+型杂质（发射

3、区）。刻蚀后进行多晶氧化，由于氧化是在一个图形化（即非平面）以及没有损伤的多晶上进行的，所以使用的模型将会是fermi以及compress，进行氧化工艺步骤时分别在干氧和氮的气氛下进行退火，接着进行离子注入，注入能量18ev，浓度2.5e13/cm3的杂质硼，随后进行侧墙氧化层淀积并进行刻蚀，再一次注入硼，能量30ev，浓度1.0e15/cm3，形成P+杂质（基区）并作一次镜像处理即可形成完整NPN结构,最后淀积铝电极。4.2.三次注入硼的目的：第一次硼注入形成本征基区;第二次硼注入自对准(self-aligned)于多晶硅发射区以形成一个连接本征基区和 p+ 基极接触的 connection

4、.多晶发射极旁的侧墙(spacer-like)结构用来隔开 p+ 基极接触和提供自对准.在模拟过程中,relax 语句是用来减小结构深处的网格密度,从而只需模拟器件的一半；第三次硼注入,形成p+基区。4.3.遇到的问题 经常遇到这样一种情况:一个网格可用于工艺模拟,但如果用于器件模拟效果却不甚理想.在这种情况下,可以用网格产生工具DEVEDIT用来重建网格,从而以实现整个半导体区域内无钝角三角形. 五、原胞版图和工艺仿真结果：用工艺软件ATHENA制作的NPN基本结构：用Cutline工具截取Boron的浓度分布图如下：用Cutline工具截取Arsenic的浓度分布图如下：用Cutline工

5、具截取净掺杂的浓度分布图如下：最后结果如图. 可以看出:发射极、基极、集电极的净掺杂浓度分别为 10 的 19、17(接触处为 19)、16次方量级.参数提取：结深及方块电阻的提取图：运行结果：结深：bc-nxj=0.10218um,be-nxj=0.406303um方块电阻：b-sheet=121.458ohm/square,e-sheet=103.565ohm/square电流方法倍数即电流增益和ft的提取图：运行结果：peak collector current=0.000397951 A peak gain=83.1365 ，max fT=7.69477e+09 特征频率:使集电极电流

6、与基极电流之比下降到 1 的信号频率,也就是无法将输入信号放大时的频率.因此也称截至频率. 六、实验心得体会近一周的微电子器件课程设计结束了，通过本次设计，我们学会了用silvaco进行器件仿真，并且懂得了NPN基本结构的工艺流程以及如何提取器件参数，培养了我们独立分析问题和解决问题的能力，懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识

7、理解得不够深刻，掌握得不够牢固，希望自己在今后的学习中不断加强理论和实践相结合，提高自己各方面能力。在此感谢老师的耐心指导和队友的默契合作。附录：模拟程序：工艺模拟：go athena#TITLE: Polysilicon Emitter Bipolar Example - Ssuprem4->Devedit->Spisces2# If you do not have Devedit: Please comment these lines out.line x loc=0.0 spacing=0.03 line x loc=0.2 spacing=0.02 line x loc=0

8、.24 spacing=0.015 line x loc=0.3 spacing=0.015 line x loc=0.8 spacing=0.15#line y loc=0.0 spacing=0.01line y loc=0.07 spacing=0.01 line y loc=0.1 spacing=0.01line y loc=0.12 spacing=0.01 line y loc=0.3 spacing=0.02 line y loc=0.5 spacing=0.06line y loc=1.0 spacing=0.35 #init c.arsenic=2e16#implant b

9、oron energy=18 dose=2.5e13diffuse time=60 temp=920# deposit polysilicondeposit poly thick=0.3 divisions=6 min.space=0.05 # Implant to dope polysiliconimplant arsenic dose=7.5e15 energy=50# Pattern the poly etch poly right p1.x=0.2relax y.min=.2 x.min=0.2relax y.min=.2 x.min=0.2method compress fermid

10、iffuse time=25 temp=920 dryo2 diffuse time=50 temp=900 nitrogenimplant boron dose=2.5e13 energy=18# deposit spacerdeposit oxide thick=0.4 divisions=10 min.space=0.1# etch the spacer backetch oxide dry thick=0.5 implant boron dose=1e15 energy=30diffuse time=60 temp=900 nitrogen# put down Al and etch

11、to form contactsdeposit alum thick=0.05 div=2 etch alumin start x=0.15 y=-10etch continue x=0.15 y=10etch continue x=0.6 y=10etch done x=0.6 y=-10structure reflect left stretch stretch.val=0.1 x.val=0.0# Name the electrodes for use with ATLAS.base and base1 will be slaved #during device simulation w

12、ith the 'CONTACT' statement.electrode x=0.0 name=emitterelectrode x=-0.7 name=baseelectrode backside name=collectorelectrode x=0.7 name=base1# Save the final structurestructure outfile=bjtex03_0.str# Completely remesh the structure without obtuse triangles in the semiconductor# Use the Sensi

13、tivity & Minspacing parameters to adjust the mesh density.# . the smaller the Sensitivity, the denser the mesh.go deveditbase.mesh height=0.25 width=0.25bound.cond apply=false max.ratio=300constr.mesh max.angle=90 max.ratio=300 max.height=1 max.width=1 min.height=0.0001 min.width=0.0001constr.me

14、sh type=Semiconductor defaultconstr.mesh type=Insulator default max.angle=170constr.mesh type=Metal default max.angle=180# Define the minimum mesh spacing globally.imp.refine min.spacing=0.025# Select a list of solution (impurity) gradients to refine upon.imp.refine imp="Arsenic" sensitivi

15、ty=0.5imp.refine imp="Boron" sensitivity=0.5# now mesh the structure.mesh#struct outfile=bjtex03_1.strtonyplot bjtex03_1.str -set bjtex03_1.set# Gummel Plot Test #器件模拟go atlas# set material models etc.material taun0=5e-6 taup0=5e-6contact name=emitter n.poly surf.reccontact name=base commo

16、n=base1 shortmodels bipolar print # initial solution solve init# change to two carriersmethod newton autonr trap solve prev# set the collector biassolve vcollector=2 local# start ramping the basesolve vbase=0.1 # Ramp the base to 0.9 volts. log outf=bjtex03_2.log mastersolve vbase=0.2 vstep=0.05 vfi

17、nal=0.9 name=base ac freq=1e6 aname=base# Now dump a structure file, for tonyplotting. but first decide what # you want in it, on top of the default quantities.output e.field flowlines jx.el jx.ho jy.el jy.hosave outf=bjtex03_3.str# Now extract some design parameters.extract name="peak collector current" max(curve(abs(v."base"),abs(i."collector&qu